季节冻土对高寒草甸植被生产力形成的影响

季节冻土对高寒草甸植被生产力形成的影响

通过研究耐寒草植物的地上生物量形成机制，验证了冬季温度的变化与当年牧场产量之间的显著相关。这种关系不是偶然的。事实上，这是有内部的连通性的。冬季寒冷的季节，即土壤硬化后的土壤侵蚀对植物的早期营养生长阶段提供了足够的水分。冬季不同寒冷的季节，土壤侵蚀的速度、深度和持续时间变化很大，因此，在植物早期营养生长阶段，土壤侵蚀的程度、深度和持续时间变化很大。因此，假设季节性冷土的生长和变化对寒冷草地植物的生长以及每年地上生产的产量有一定的影响。因此，我们认为，寒冷天气的发展和变化对寒冷天气的生长以及年地上生产的发展有一定的影响。本文论述了寒冷地区寒冷气候的气候变化，并研究了寒冷地区如何影响冷土。1地点和数据的总结1.1健全的健全主体研究工作在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站(海北站)进行,海北站地处祁连山北支冷龙岭东段南麓坡地的大通河河谷西段,37°29′～37°45′N,101°12′～101°23′E,站区地形开阔,海拔在3200～3600m.该地区位于亚洲大陆腹地,具明显的高原大陆性气候,东南季风及西南季风微弱.受高海拔条件的制约,气温较低,仅有冷暖季之别,干湿季分明;地区年平均气温-1.7℃,最暖的7月平均气温9.8℃,最冷的1月平均气温-14.8℃.年降水量580mm左右,降水主要集中于暖季的5～9月,占年降水量的80%,冷季10月至翌年4月仅占20%.年内无绝对无霜期,相对无霜期约为20d左右,在最热的7月仍可出现霜冻、结冰、降雪(雨夹雪)等天气现象.表现出冷季寒冷、干燥、漫长,暖季凉爽、湿润、短暂.特殊的自然环境及青藏高原隆起过程,造就了适应寒冷湿中生的多年生草本植物群落,形成了以矮嵩草(Kobresiatibetica)草甸(土壤湿度较低的滩地、阳坡)、金露梅灌丛(FormationDasiphorafruticosa)草甸(土壤湿度较高的滩地、阴坡)、小嵩草(Kobresiapygmaea)草甸(土壤湿度更低的阳坡和缓坡地段)、以及坡麓潜水溢出和高山冰雪下缘等低洼地带形成的高寒湿地-藏嵩草(Kobresiatibetica)沼泽草甸为主要建群种的不同的高寒草甸植被类型.牧草生长低矮,群落结构简单,初级生产力低.土壤在滩地和阳坡多分布有草毡寒冻雏形土(Mat-CryicCambisols),山地阴坡多分布暗沃寒冻雏形土(Mol-CryicCambisols),沼泽地为有机寒冻潜育土(OrganicCryicGleysols).土壤发育年青,土层浅薄,有机质含量丰富.本文所涉及研究点的是滩地矮嵩草草甸下的草毡寒冻雏形土.1.2资料与实验方法2结果2.1季节冻土含义某一地区当7月平均气温低于11℃便有多年冻土发育的可能,我国高原冻土带的下界大致与年平均气温-2～-3℃相当,在祁连山地的南坡多年冻土分布下界在海拔3494～3900m间.依海北站气象站(37°37′N,101°19′E,海拔3220m)1980年以来的气象资料观测来看,海北高寒草甸综合实验地区域多年平均气温-1.7℃,土壤0～320cm年平均地温均大于0℃,其中5、10、15、20、40、80、160和320cm年平均地温分别为2.0、1.8、2.0、1.9、2.1、2.3、2.4和2.8℃,均保持在1.8℃以上.虽然最热月平均气温<11℃(多年平均为10.0℃),但地温较高,5、10、15、20、40、80、160和320cm在最热月的平均地温分别为13.2、12.3、12.1、11.8、11.3、9.7、7.4和5.4℃,说明区域仍然属季节性冻土分布区.从冻胀草丘、积水坑等现象来判断,这里过去曾有过多年冻土的存在.当然,目前海北站地区海拔较高的山地阴坡区域(如站附近鱼儿山海拔3300m地带以上),以及海拔并非较高(海拔约3280m)但处在部分高寒藏嵩草沼泽地及边缘带地区(如站东部的“乱海子”地区),还有可能存在岛状多年冻土层.海北站滩地矮嵩草草甸下的草毡寒冻雏形土,其土壤表层9月进入冻融阶段,日消晨冻.11月底季节冻结深度一般达38～50cm以上.随冷季来临,天气变得严寒,冻土深度不断增加,至来年3～4月达到最大季节冻结深度.其后,地表开始出现融冻过程,冻土层自上而下逐渐融化,底层向上也有融化过程,但较微弱,6月下旬到7月上旬方可全部消失,表现出季节冻土维持时间很长.从图1可以看出,海北站地区季节冻土最深可达到230cm,出现在3～5月间.不同年份季节最大冻土深度与温度、土壤湿度、植被盖度等有很大的关系,天气寒冷,土壤干燥,植被盖度小,冻土则深;反之冻土较浅.值得一提的是由于高海拔因素的制约,气温较低,季节冻结现象似乎在每个月均可发生.最暖的7月,地表面温度及气温时常降至0℃以下,这将导致冻土的偶然发生,一般日消夜冻.但因正是湿润时期,土壤及空气湿度较大,如7月月平均水汽压为9.4hPa,土壤湿度6～7月平均38%,植物生长茂盛,所发生的冻结层很薄,这种冻结常称为“湿冻”现象;3～5月间在已融化的表层因温度常降至-10℃以下,近地表上层的土壤其冻结深度可达10cm以上,有时受寒冷天气影响日间不能及时融化可维持1～3d时间.与我国北部温带草原相比,高寒草甸分布区的青藏高原其热量水平低.在这种情况下,地温在地表上部变化急剧,日较差很大,较深层地温得不到较大的提高,保持较低的水平,致使土壤季节冻土维持时间较长,不仅土壤的昼融夜冻明显,而且季节冻融交替也很显著.2.2在寒冷时期，冻土在形成高大草甸植被生产力方面发挥着作用2.2.1土壤湿度的变化图2给出了2002年度0～20cm土壤温湿度月平均变化情况,可以发现土壤0～20cm平均温度在11月中旬左右开始稳定下降到0℃以下,表明从该时期开始,土壤出现稳定季节冻结层.至3月上旬左右,温度上升到0℃以上,土壤出现从地表向深层的融化过程.从0～20cm平均土壤湿度来看,在土壤出现融化的3月上旬逐渐升高,5月达年内的最高时期,此时虽降水量有所增加,但并未达年内的最高时期.7～9月阶段降水最为丰富,但土壤湿度稍有降低.这说明较高的土壤湿度明显来源于季节冻土融化过程时的供给,当然土壤湿度的高低还受到植被的蒸腾、土壤蒸发等因素的综合影响.这里需说明的是,寒冷的冬春季0～20cm层次土壤湿度很低,是因为我们采用TDR所观测的土壤湿度,一来TDR限于自地表垂直插入,为0～20cm层次所观测的平均值,从而因冬春季地表常处于裸露状况,且易受吹风等气象条件的影响,地表蒸发大,致使土壤表层较为干燥;二来由于TDR仅测量的是土壤未冻结水含量,而冬季土壤冻结后未冻结水含量降低,冻结水占有很大比例.事实上,冬春季在深层有较高的土壤湿度,这点我们曾利用土钻法对4～11月的土壤湿度进行过观测,且依4月初和10月末的观测值分析可以得到证实.观测发现,草毡表层在解冻时有极高的土壤湿度,常可达饱和持水量,甚至土壤湿度(占干土重的百分率)超过100%.1991\_1993年和2001\_2003年6a土壤解冻的5月,0～60cm整层的土壤湿度分别为42.97%、52.32%、38.88%、35.82%、40.99%、37.98%.这些值均明显高于降水丰富的6～10月土壤水分观测资料,为了比较,在图3给出了2001年4～10月采用土钻法观测的0～60cm土层土壤湿度的分布情况.可以看到,不论是浅层0～20cm土层还是0～60cm土层,在春季均有较高的土壤水分.图4中给出了1981\_2002年间9月到翌年8月多年月平均降水量分布状况,表明降水量在10月下旬开始明显减少,直至次年5月才有所明显加大.植物生长季的5～10月,占年降水量的90%,寒冷的11月到翌年的4月降水极少,仅占年降水量的10%.如果采用降水相对系数法1大小来衡量雨季的起讫时间的话,海北站雨季平均开始期约在5月中旬,9月上旬为雨季平均结束期,雨季长达12个旬120d左右,占年总旬数的30%,即海北站地区约1/3时间处在湿月,2/3的时间处于干月.而从季节冻土发展过程来讲,刚好在雨季末期的9月开始出现冻结现象,与降水量的明显减少时期相一致.也就是说,在前冬出现季节冻土时,降水对土壤水分的补给量明显减少.但在土壤自上而下的季节冻土发生过程时,土壤含水量将出现有以下特征.在形成季节冻土初期,冻土常呈现日消夜冻.早晨温度0℃以下时,土壤冻结,冻结层内出现水分集结和冰冻现象,造成土壤水分张力改变,体积膨胀对周围土体产生压力,出现较大的土壤空隙.日间温度升高后冻结水融化,空隙部分又被水分所饱和.当再次发生冻结时这些空隙再被扩大,给土壤水分的高集聚又提供了良好外部条件.伴随天气转冷,温度降低,土壤出现稳定的季节冻结层,并自上而下加厚.这时候形成土壤上层温度<0℃的冻结层和下部土壤温度>0℃的非冻结层的环境温度梯度,该条件下底层水分将以土壤热力为载体,由相对暖和的土层向低温的冻土层源源不断地迁移.首先出现短时的过冷凝结水,并使水滴进一步凝结成冰晶而成为水汽的凝结核,形成一定状况的“冰晶”层,而且随冻结深(强)度加厚(强),“冰晶”含量在水分不断的积聚下也随之增加和长大,直到其下部土层的温度再降低并接近冰点以下而使土壤呈现稳定冻结为止.表现出土体冻结有利于冻层内土壤水的积聚.而在土壤近5cm表层经反复的日消夜冻过程及蒸发作用,所形成一定的干土层反而阻隔了更下层土壤水分散失,保持了“冰晶”层内的水分贮存.3～4月天气转暖,日平均气温开始接近0℃时,土壤表面日平均温度接近2～3℃,日最高达15℃以上.随地温提高,土壤自上而下开始融冻,并伴随日消夜冻现象,依时间进程融化层逐步加深.当日平均气温稳定通过≥0℃时,高寒植物也开始萌动发芽,上层土壤融化的同时其内部冰晶水变成自由水.这些水分会直接提供给植物萌动发芽和返青所需要,另一方面水分将以重力作用向下运行,积聚于下层未融化的冻土层上界面.未融化的冻土层又是良好的不透性水层,故融化水在融化层底部冻结层表面滞留.但此时正直我国北方气候干旱最为严重时期,高寒草甸植被受冬春的牧事活动及强劲风速的影响,地表近似裸露,土壤表层水分受蒸发和植被蒸腾而散失严重,降水不能及时补给时,较深层土壤水出现向上迁移或依植物根茎和毛管上升的现象,及时提供给植物生长发育.在海北高寒草甸区,7月上旬左右季节冻土方可全部融化(图1),该时部分植物已完成其生命生长过程(如:矮嵩草等莎草科植物进入成熟后期).从这种角度来讲,在7月上旬以前,植物所生长发育的水分要求不仅来源于自然降水,而且较深层土壤水分的供给也是重要的一环.也就是说较高的土壤水分将对牧草初期营养生长阶段提供良好的土壤水分,弥补了春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响,进一步对牧草产量的形成起到重要的作用.当然,年景不同所积聚的水分量有所不同,造成年景气候环境不同状况下土壤所含的水分量有所不同.季节冻土融化解冻过程中所形成的高土壤水分,不仅可弥补天气气候干旱对高寒植物初期营养生长阶段的影响.而且受土壤水分发生迁移和大气水分凝结过程中,增大了植被表面及土壤表面的水分量,当发生受低温环境造成霜冻现象时已在植物冠面和土壤表面形成一定的“水膜”,“水膜”对植物生长起到良好的保护作用,减弱了辐射冷却降温的速率和程度,保证了牧草在营养生长阶段不止被外界气温冻坏冻伤,使冻害大大得到缓解.高寒草甸植物在生长期出现-7℃的低气温环境下,其植物体不止被冻伤,正是由于这种作用的结果.在可能影响短期气候异常持续的因子中,Namias和刘永强等曾提到土壤水分的作用.认为降水较少时土壤较干,消耗土壤水分蒸发的热量较少,而地表向大气的感热输送增强.还认为地-气系统中,在土壤较湿、植被较多的情况下,地、气水分和能量交换能力较强,系统调节其状态回到正常气候态的速度就快.甚至提到土壤湿度对气候的调节的作用至少比土壤温度的作用大4～10倍,意味着在地-气系统中的相互作用中,土壤湿度的变化起主导作用.李述训等也有相同的观点.也就是说土壤水分高,气候异常的持续性将减弱.土壤水分具有稳定和调节局地气候的性能,进而对植物生长不至于重受频繁波动环境的影响.2.2.2土壤水分随立地条件的变化和胡敏酸的变化2.2.3季节冻土深度对牧草产量的影响上述比较研究说明,季节冻土维持时间长短和冻土冻结层深厚与否,可直接表征土壤含水量的高低,将直接或间接地影响高寒草甸植物生物生产量.多年来,对气象因子影响高寒草甸牧草产量的相关关系较多.应该说牧草产量的形成与提高,是多种综合因素的产物,特别是青藏高原天然放牧草场,社会投入甚微,且同一地区土壤理化性质在相当时期内保持不变,显示出各年牧草产量的高低与当地的气候条件(如气温、降水、日照时间等)有着极为明显的协同关系,即年景气候变化不同,其牧草产量差异较大.但就冻土变化对植被地上生产力的影响也是不可忽视的.为说明问题,图4给出了海北站自1983\_2000年植被年生产量与门源气象站所观测的4月季节冻土深度间的相关关系.海北站与门源气象站由于二地间直线距离约为30km,均受同一大气环流控制,气团属性一致,所不同的是因海拔高度的差异气温分布有所不同,致使海北站的最大冻土较门源深.由此就冻土的变化趋势认为,依门源气象站冻土观测资料来分析海北站的有关情况是可靠的.从图2表明,年内特别是3、4月季节最大冻土深度,与牧草年产量具有一定的正相关关系,说明季节冻土的变化过程对牧草产量的形成有着一定的影响.事实上1～4月每个月的冻土最大深度与牧草产量均出现正相关关系(表1),虽然相关不甚明显,只有3月和4月最大冻土深度存在有0.10的检验信度,但表明冻结深厚对牧草年产量提高有利.2.2.4牧草产量和地温以上讨论仅限于海北站地区,也就是说,在同一地区的不同年份,由于季节冻土的分布差异将对牧草产量的形成有一定的影响.但异地由于受气候环境、土壤理化形态、植被盖度的差异性影响,其季节冻土的深厚、维持时间的长短等有所不同,从而对植物生长发育的影响关系也有一定的差异性.高荣等认为:季节性最大冻土深度与冬春气温和地表温度间都具有非常好的负相关关系,最大冻结深度的正(负)异常年份对应着冬春气温和地温负(正)异常年份,说明气温和地温低季节冻土就深厚.这里用收集到青海省甘德气象站(甘德站)1993年和1994年进行的温度和牧草产量观测资料(甘德站不进行季节冻土的观测但进行牧草产量的测定),采用这两年牧草产量和地温的观测资料以及海北站有关资料作一个比较分析.虽甘德资料有限,但作为尝试仍有重要意义.3气象条件对植被生产力的影响从气候变化特征及高寒草甸植被生长发育的生态特征来看,高寒草甸地区降水相对丰富,年降水量约在400～700mm,降水多分布在6～9月.约占年降水量的60%～70%,基本可满足牧草后期生长发育的水分要求.但与中国北方地区一样,受“春寒”和“春旱”的影响较为严重.高寒草甸牧草萌动发芽的初期营养生长阶段,是奠定牧草生长好坏,产量提高与否的基础关键时期.为此,春季牧草营养生长时期的干旱等天气气候条件对当年牧草产量的影响较为关键.但在春季由于季节冻土维持,其冻土层结内部的冻融水,对土壤有源源不断的水分供给,这样将弥补由于气候干旱所造成的水分不足.在整个冬季来看,气候寒冷,特别是在冻土稳定形成到3月或4月冻土达很深的这个阶段,土壤冻结速率越快,越易使土壤冻结深厚而坚实,同时受低温环境影响地表蒸散量明显减少,从而会贮存较多的土壤水分.虽然温度低将对植物的根茎带来不利的影响,但水分的贮存将弥补春季牧草萌动发芽时受天气气候胁迫下干旱的影响,对牧草初期营养生长阶段有利,终归影响当年牧草产量的形成与提高.也证实在未来气候变暖的趋势下,若降水仍保持现有的水平,高寒草甸植被的牧草产量将有所下降的可能.需说明的是牧草产量的提高与降低是受诸多气候因素综合影响作用的结果,本文仅考虑了季节冻土变化以及地温高低与牧草产量间的关系,虽然有一定的牵强依据,但作为问题讨论,也是有严格重要的一面.气候变暖过程中,冬季趋暖化更为明显,即气候的变暖中,冬季变暖具有较大的贡献.通过上述有关分析表明,冬季越冷越利于牧草的生长发育,那么在冬季气温不断变